陳湘生，武賢龍，包小華，崔宏志?，宋朝陽，劉志強(qiáng)

1) 深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，深圳 518060 2) 北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013

1 礦-熱共采的深部高溫巖層地下巷道硐室建造的戰(zhàn)略地位及作用

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，每年我國需提供海量的各類型礦產(chǎn)資源，其中僅煤炭資源需求量在2025年就將達(dá)到28～29億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[1]. 隨著大規(guī)模開采的進(jìn)行，淺部礦產(chǎn)資源開始枯竭，我國礦產(chǎn)開采逐漸向深部發(fā)展，隨著勘探技術(shù)的進(jìn)步和勘探深度的增加，我國未來主要礦產(chǎn)開采深度將達(dá)到3000～5000 m，深部開采將成為我國礦產(chǎn)來源的重要組成部分[2]. 深部地下礦產(chǎn)開采面臨著高溫、高地應(yīng)力的問題，如何針對(duì)這些問題發(fā)展新的巷道硐室建造技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)深部礦產(chǎn)-地?zé)峁膊傻年P(guān)鍵，也是保障我國未來深部礦產(chǎn)資源持續(xù)開采及利用的關(guān)鍵問題.

深部高溫巖層地下巷道硐室的建造面臨著兩大挑戰(zhàn)，分別為高溫導(dǎo)致的熱害效應(yīng)使得作業(yè)環(huán)境惡化，以及高地應(yīng)力導(dǎo)致的巖石力學(xué)性能變化，兩者共同作用也會(huì)導(dǎo)致圍巖的卸荷大變形、強(qiáng)流變、動(dòng)力響應(yīng)突變以及脆-延性發(fā)生轉(zhuǎn)變[3-4]，這對(duì)深部巷道硐室的建造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn). 對(duì)于熱害效應(yīng)的防治可通過人工降溫、鋪設(shè)隔熱材料等傳統(tǒng)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)，但隨著開采深度的增加這些技術(shù)手段面臨著降溫效率低、資源利用不充分的問題，阻礙著深部高溫巖層開采技術(shù)的發(fā)展. 深部高溫巖層熱輻射所造成的地?zé)嵝?yīng)，從工程角度分析是一種災(zāi)害，而從能源角度分析是一種天然能源[5]. 礦-熱共采技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)降低熱害的同時(shí)對(duì)地?zé)豳Y源合理利用，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的深部開采技術(shù)，不同于傳統(tǒng)深部巷道硐室的建造模式，這種技術(shù)需要在深部圍巖中設(shè)置換熱巷、換熱池、鋪設(shè)換熱管道等，如何在保障安全性的前提下建設(shè)滿足礦-熱共采需求的深部巷道硐室對(duì)相關(guān)建造技術(shù)提出了新的要求. 對(duì)于高地應(yīng)力的防治現(xiàn)行技術(shù)多采用高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度的支護(hù)體系[6-7]，通過大幅提升錨桿、錨索的預(yù)應(yīng)力減緩巖層應(yīng)力的釋放，抑制巖層中裂紋的擴(kuò)展，控制高地應(yīng)力條件下巷道及硐室的頂板沉降及底鼓的產(chǎn)生，但這些技術(shù)在應(yīng)對(duì)深部巖層中突出的巖爆、大變形坍塌等問題無法提供有效的應(yīng)對(duì)手段[8]，需發(fā)展出新的深部巷道硐室建造技術(shù).

本文基于對(duì)礦-熱共采的深部高溫地下巷道硐室建造技術(shù)的分析與思考，梳理分析了深地工程建設(shè)中面臨的主要挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)方案，指出了在基礎(chǔ)理論、熱害防治、圍巖穩(wěn)定性控制方面的現(xiàn)狀與發(fā)展不足，給出了未來深部巷道硐室建造的發(fā)展建議. 相關(guān)研究成果可為我國持續(xù)、安全、穩(wěn)定開發(fā)利用深部礦產(chǎn)資源提供一些建議與思考.

2 深部高溫環(huán)境下巷道硐室建造技術(shù)基礎(chǔ)理論

目前，固體礦物資源開采過程中面臨的動(dòng)力災(zāi)害、水、火、瓦斯等都涉及固體變形、滲流和傳熱的耦合問題[9-11]，對(duì)于礦-熱共采模式的發(fā)展，也涉及傳熱、滲流、變形以及巖體的熱破裂等耦合問題，在以上物理場(chǎng)耦合作用下，深部巖體的本構(gòu)規(guī)律更加具有復(fù)雜性和多變性，這些參數(shù)的獲取需要開展深入細(xì)致的物理與力學(xué)實(shí)驗(yàn)才能得到，現(xiàn)行的研究存在著試驗(yàn)設(shè)備落后、研究理論不完善、無法進(jìn)行實(shí)際工程驗(yàn)證的問題，這需要深度推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研融合，對(duì)一批已成熟的基礎(chǔ)理論開展初步應(yīng)用研究.

2.1 地質(zhì)精細(xì)探測(cè)

深部地下工程面臨著復(fù)雜特殊的地質(zhì)環(huán)境，多場(chǎng)耦合使得深部巷道硐室的建造面臨的問題具有復(fù)雜性、突發(fā)性以及高危害性的特點(diǎn)，因此在深部巷道硐室建設(shè)之前需對(duì)待掘進(jìn)區(qū)域開展精細(xì)化的探測(cè)，準(zhǔn)確把握應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布，以此開展深部巷道硐室建造的前期準(zhǔn)備，保證深部工程建設(shè)的合理規(guī)劃、安全有序.

地應(yīng)力探測(cè)方法主要有井壁崩落法、水力劈裂法、震源機(jī)制解法、非彈性應(yīng)變恢復(fù)法以及聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法等，其中井壁崩落法、水力劈裂法等實(shí)測(cè)方法受地質(zhì)條件及成本限制而無法廣泛開展，此外熱應(yīng)力對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)的影響不可忽略，依據(jù)地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化算法進(jìn)行反演，是比較有效的地應(yīng)力分析方法；滲流場(chǎng)的探測(cè)可采用示蹤劑跟蹤法、瞬變電磁法、溫度場(chǎng)法等，深部礦-熱協(xié)同開發(fā)時(shí)，熱交換作用造成水力壓裂流場(chǎng)與原巖溫度場(chǎng)的顯著差異，從而溫度場(chǎng)探測(cè)結(jié)果可以間接反映水力壓裂流場(chǎng). 礦-熱共采模式下，地質(zhì)探測(cè)除了應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的探測(cè)外，還應(yīng)同步實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)豳Y源的探查，以期通過一次探查掌握充分詳實(shí)的地質(zhì)資料，這就需要對(duì)巖石在不同溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)作用下的各項(xiàng)物理指標(biāo)開展研究. 溫度場(chǎng)探測(cè)應(yīng)在遠(yuǎn)景區(qū)圈定、構(gòu)造探測(cè)以及干熱巖巖體探測(cè)三個(gè)尺度上進(jìn)行，可依據(jù)溫度與巖石電阻率、波速、磁場(chǎng)、導(dǎo)熱率等的關(guān)系間接實(shí)現(xiàn)對(duì)巖層溫度場(chǎng)的判定. 技術(shù)上則可借鑒干熱巖巖體探測(cè)技術(shù)，常使用大地電磁法MT、可控源音頻電磁法CSAMT和地球物理測(cè)井法等. 對(duì)于巖體結(jié)構(gòu)探測(cè)，主要采用鉆孔法（鉆孔取芯、鉆孔攝像、鉆孔雷達(dá)等）和物探法，其中物探法包括混場(chǎng)源高頻電磁法、隧道地震波法（TSP）（圖1）、脈沖反射法和高密度電阻率法等，但在高溫環(huán)境下的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步研究.

圖1 TSP系統(tǒng)[12]. (a) 幾何示意圖; (b)隧道地震波記錄Fig.1 TSP system [12]: (a) geometric schematic diagram; (b) synthetic tunnel seismic data

高溫巖層地質(zhì)精細(xì)化探測(cè)是一個(gè)系統(tǒng)的工作，多種探測(cè)手段的聯(lián)合應(yīng)用、協(xié)同分析驗(yàn)證是保障探測(cè)精度與準(zhǔn)確性的重要方式，這需要在基礎(chǔ)理論方面有所突破，明確高溫環(huán)境下巖層的成巖特性，進(jìn)而分析高溫地層的應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)特性，并能夠?qū)Χ鄨?chǎng)耦合（如：固體-液體-氣體耦合，溫度-應(yīng)力-滲流-化學(xué)耦合）的特征進(jìn)行闡述，同時(shí)大數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)高溫巖層的形成及演化機(jī)理進(jìn)行探究，建立起高溫巖層地質(zhì)探測(cè)數(shù)據(jù)庫，既應(yīng)掌握目前的地質(zhì)條件，也應(yīng)對(duì)未來長期時(shí)空演化下巖層的各項(xiàng)物理特性進(jìn)行預(yù)判，要能夠?qū)Χ喾N潛在的地質(zhì)災(zāi)害形成預(yù)警. 形成前期探測(cè)為工程建設(shè)提供參考，中期探測(cè)為施工安全、工程質(zhì)量提供保障，后期探測(cè)為深部工程長期穩(wěn)定存在形成防護(hù)的技術(shù)體系.

2.2 高溫條件下巖石物理力學(xué)特性

高溫條件下巖石的物理力學(xué)特性與常溫常壓條件下的大不相同，同時(shí)深部巷道硐室建造過程中采取的主動(dòng)式及被動(dòng)式降溫均會(huì)引起原巖溫度場(chǎng)及物理力學(xué)響應(yīng)的變化. 高溫條件下巖石中的礦物晶體會(huì)表現(xiàn)出不同的變化形式（圖2）[13-14]，此外，礦-熱共采模式下圍巖還面臨著降溫可能導(dǎo)致的熱應(yīng)力致裂[15]，高溫環(huán)境下巖石若經(jīng)歷快速降溫,其內(nèi)部晶體會(huì)由于不均勻收縮而產(chǎn)生微觀裂縫，這往往會(huì)成為巖石破裂的起始條件，以至于影響圍巖穩(wěn)定性. 因此,在進(jìn)行深部高溫巖層中巷道硐室建造時(shí)，除了要考慮高溫對(duì)圍巖力學(xué)性質(zhì)的弱化，還需考慮礦-熱共采時(shí)熱交換降溫引起的地層溫度下降，避免劇烈降溫對(duì)已有井巷圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞，這就需要在前期準(zhǔn)備工作中對(duì)圍巖地質(zhì)條件、巖石力學(xué)性質(zhì)開展詳盡的調(diào)查研究，對(duì)主要巖層的比熱容、導(dǎo)熱率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定. 針對(duì)不同地層、不同巷道結(jié)構(gòu)形式，如何選定礦-熱共采降溫方式、熱交換速率在目前尚未形成成熟有效的理論體系，同時(shí)現(xiàn)有研究多聚焦于高溫對(duì)巖石礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)變化的影響，而對(duì)于深部巷道硐室建造過程中高溫條件下巖石的宏觀表現(xiàn)尚缺乏深入探討.

圖2 熱處理后花崗巖的微觀結(jié)構(gòu). (a) 300 ℃; (b) 500 ℃; (c) 700 ℃; (d) 900 ℃ [13]Fig.2 Microstructure of granite after heat treatment: (a) 300 ℃; (b) 500 ℃; (c) 700 ℃; (d) 900 ℃[13]

2.3 高溫條件下巖石的可鉆性

巖石的可鉆性是衡量巖石抵抗鉆頭壓碎能力的一個(gè)物理量，反映了深部巷道硐室建造的難易程度，同時(shí)也是優(yōu)化掘進(jìn)方案、優(yōu)選掘進(jìn)設(shè)備、控制掘進(jìn)與建造成本的重要依據(jù). 巖石具有多種復(fù)雜的物理力學(xué)參數(shù)，如何使用這些參數(shù)來表征巖石的可鉆性一直是困擾學(xué)者們的重要學(xué)術(shù)課題.開始時(shí)學(xué)者們使用單一的巖石物理參數(shù)開展研究，如前蘇聯(lián)學(xué)者史立涅爾提出的壓入硬度法[16]，但隨著工程實(shí)踐的開展單一物理參數(shù)無法全面反映巖石在不同地質(zhì)條件、施工技術(shù)下的可鉆性，因而逐步開展了多種手段、多種參數(shù)聯(lián)合表征巖石可鉆性的研究，如美國學(xué)者羅勞提出的微鉆法[17].除了這些基于物理力學(xué)參數(shù)的評(píng)價(jià)方法外，近些年來學(xué)者們又發(fā)展出了基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的鉆速方程反求法、巖屑硬度法、元素含量法等，工程實(shí)踐證明基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法具有更科學(xué)、更便捷的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)通過對(duì)收集到的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可實(shí)時(shí)分析巖石的可鉆性，并在一定程度上對(duì)待掘進(jìn)區(qū)域巖石的可鉆性進(jìn)行預(yù)測(cè)，此外人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等機(jī)器學(xué)習(xí)算法也開始被引用到巖石可鉆性的研究中來，發(fā)展出了基于巖石工程系統(tǒng)（RES）理論的巖石可鉆性綜合預(yù)測(cè)模型（圖3（a））、基于遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GA-ANN）的巖石可鉆性預(yù)測(cè)模型（圖3（b））等，并在工程實(shí)踐中取得了良好的效果.

圖3 巖石可鉆性預(yù)測(cè)模型.(a) 基于RES理論的巖石可鉆性綜合預(yù)測(cè)模型[18]; (b) 基于GA-ANN的巖石可鉆性預(yù)測(cè)模型[19]Fig.3 Rock drillability prediction model: (a) based on the RES theory [18]; (b) based on GA-ANN [19]

已有的研究表明高溫將引起巖石彈塑性性能的轉(zhuǎn)變，多種因素綜合作用下巖石破碎前將產(chǎn)生較大的塑性變形，導(dǎo)致高溫巖石可鉆性降低. 受限于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法無法全面有效模擬真實(shí)的深部巖石環(huán)境，對(duì)于高溫條件下巖石可鉆性的研究往往局限于理論性研究，而無法開展工程實(shí)踐應(yīng)用. 我國目前僅形成了針對(duì)常溫條件下巖石可鉆性測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，隨著深部礦產(chǎn)資源開采的加速，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)已無法滿足工程建設(shè)的需要，針對(duì)深地工程中面臨的高溫條件下巖石可鉆性問題的研究應(yīng)引起重視. 高溫巖石可鉆性的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)應(yīng)綜合多種手段開展，并朝著大數(shù)據(jù)、智能化、精細(xì)化的方向發(fā)展，建立起廣泛的具有良好工程可操作性的巖石可鉆性特征與科學(xué)評(píng)價(jià)體系，探究高溫巖石宏細(xì)觀特征、非線性特征對(duì)于可鉆性的影響機(jī)制，同時(shí)巖石可鉆性的研究意義在于能夠?qū)r層掘進(jìn)提供指導(dǎo)，應(yīng)重點(diǎn)分析多場(chǎng)條件下刀具破碎巖石的裂紋擴(kuò)展機(jī)理、刀具參數(shù)對(duì)破巖效果的影響機(jī)制以及巖渣特性-破巖效率-能耗的相關(guān)性等.

3 深部巷道硐室建造熱害防治

3.1 深部巷道硐室工程建設(shè)降溫技術(shù)

高溫環(huán)境引起巖體物理力學(xué)特性轉(zhuǎn)變的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)鉆掘工藝、支護(hù)手段、機(jī)械設(shè)備的性能下降. 相較于淺部常溫巷道硐室的建造，高溫環(huán)境對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響尤為明顯，高溫環(huán)境下混凝土水化反應(yīng)加快，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)假凝及鈣化不均勻，進(jìn)而引起混凝密實(shí)度降低，大大降低混凝土的耐久性，此外高溫還會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生熱應(yīng)變，與圍巖發(fā)生非協(xié)調(diào)變形，進(jìn)而引起支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖整體性的降低. 因此，“熱害效應(yīng)”的防治是高溫巖層深部巷道硐室建造面臨的重要難題，對(duì)于深部巷道工程建設(shè)需采用切實(shí)可行，經(jīng)濟(jì)適用的降溫技術(shù).

傳統(tǒng)的巷道硐室熱害防治技術(shù)可分為通過電力驅(qū)動(dòng)熱交換實(shí)現(xiàn)的機(jī)械式降溫及通過排熱、隔熱實(shí)現(xiàn)的非機(jī)械式降溫. 對(duì)于深部巷道硐室建設(shè)的非機(jī)械式降溫面臨著通風(fēng)量不足、散熱效率低下的問題，因此在深地工程的建設(shè)中機(jī)械式降溫將成為主要手段. 目前常用的機(jī)械式制冷技術(shù)主要有制冷水降溫、制冰降溫以及空氣壓縮制冷等，但這些降溫手段均存在著能耗大、投資高、噪聲高以及對(duì)于交換出的熱能無法進(jìn)行高效利用的缺點(diǎn). 隨著我國對(duì)能源利用率、環(huán)境保護(hù)要求的提高，大量新型的降溫技術(shù)開始出現(xiàn)，如熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、分離式熱管制冷技術(shù)、透平膨脹制冷等，并取得了良好的實(shí)踐應(yīng)用效果. 在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上將地?zé)衢_采技術(shù)與熱害防治相結(jié)合，在進(jìn)行礦產(chǎn)開采的同時(shí)也對(duì)地?zé)崮軐?shí)現(xiàn)合理利用，對(duì)低溫區(qū)以礦產(chǎn)資源開采為主，中溫區(qū)先采熱后采礦，高溫區(qū)則礦-熱協(xié)同開采，通過熱交換實(shí)現(xiàn)由“熱害”到“熱利”的轉(zhuǎn)變[20]，如圖4所示，已成為最具發(fā)展前景的深部地?zé)衢_發(fā)技術(shù). 該技術(shù)方案在改善作業(yè)環(huán)境的同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)豳Y源的合理利用，降低礦產(chǎn)開采成本，提高資源的利用率，協(xié)助“雙碳目標(biāo)”的實(shí)現(xiàn)，有望提供一種全新深部巷道硐室工程建設(shè)降溫的技術(shù)途徑. 但同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)尚處于起步階段，目前還存在著不同地層礦-熱共采布置形式不明確，熱交換效率、熱交換方式選取標(biāo)準(zhǔn)不清晰的問題，同時(shí)，還應(yīng)對(duì)巖層長期變溫條件下的力學(xué)特性開展更廣泛的研究，以應(yīng)對(duì)礦-熱共采模式下可能存在的巖層中的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)變化.

圖4 基于開挖的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS-E)概念[20]Fig.4 Concept of an enhanced geothermal system based on excavation [20]

3.2 巷道硐室隔熱支護(hù)技術(shù)

除了采取機(jī)械式降溫這一主要手段外，通過對(duì)圍巖表面噴涂隔熱材料對(duì)熱量向巷道硐室的傳遞進(jìn)行熱隔絕也是一種重要的輔助降溫手段，同時(shí)將隔熱與支護(hù)相結(jié)合提出了隔熱支護(hù)的概念，以求在實(shí)現(xiàn)巷道硐室穩(wěn)定支護(hù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱隔絕. 對(duì)于隔熱支護(hù)的研究目前主要聚焦于新型隔熱材料的開發(fā)以及隔熱機(jī)理的研究. 隔熱材料方面學(xué)者們研究了包括鍋爐渣混凝土、輕集料混凝土、膨脹珍珠巖混凝土、陶?；炷?、復(fù)合隔熱材料等多種新型材料在隔熱效果上的表現(xiàn)，這些材料均可在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖熱量傳遞的阻隔，但以上的摻合料均會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)產(chǎn)生較多的空隙結(jié)構(gòu)[21],降低混凝土強(qiáng)度，這就導(dǎo)致混凝土在高溫高壓環(huán)境下更易劣化損傷.

利用相變儲(chǔ)能材料能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圍巖隔熱的同時(shí)存儲(chǔ)多余熱能，是一種理想的深部巷道硐室隔熱技術(shù)手段，傳統(tǒng)的相變儲(chǔ)能材料多以水作為介質(zhì)，但該種介質(zhì)存在著熱交換效率低下的問題，同時(shí)，由于水易溶解周圍環(huán)境中的微小顆粒物，長期使用時(shí)易引起換熱設(shè)備的堵塞腐蝕，因而新型儲(chǔ)能材料的應(yīng)用對(duì)保障礦-熱共采模式的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，如圖5所示，油基微膠囊相變材料流體介質(zhì)通過微米級(jí)顆粒在溫變過程中的儲(chǔ)-放熱實(shí)現(xiàn)對(duì)深部當(dāng)?shù)理鲜业某醪浇禍?，?dāng)換熱設(shè)備開始熱交換時(shí)又能夠提供持續(xù)穩(wěn)定的熱量輸出，可大大提高礦-熱共采模式的適用溫度范圍，提高換熱效率，此外該材料具有憎水性，不易溶解雜質(zhì)，能夠長期保障礦-熱共采系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

圖5 相變儲(chǔ)能材料. (a)儲(chǔ)-放熱過程; (b)微膠囊的制備[22]Fig.5 Phase-changing energy storage materials: (a) heat storage–exothermic process; (b) preparation of microcapsules [22]

如何解決隔熱與強(qiáng)度這一對(duì)矛盾體應(yīng)是新型隔熱材料的研究方向,同時(shí)現(xiàn)有相變儲(chǔ)能材料制作工藝繁瑣，制備技術(shù)尚不成熟，對(duì)于深部巷道硐室建造中的大規(guī)模應(yīng)用存在著成本過高的問題，如何利用工業(yè)廢棄物研制新型相變儲(chǔ)能材料降低生產(chǎn)成本，提高適用范圍是未來的發(fā)展方向. 此外，對(duì)于相變儲(chǔ)能材料的基本物理特性及其在高溫環(huán)境下相變機(jī)理的研究尚有欠缺. 在隔熱機(jī)理方面，學(xué)者們基于高地溫巷道的導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型開展了豐富的研究，探索了高溫巷道圍巖溫度場(chǎng)分布特征及演化規(guī)律、巷道圍巖熱傳導(dǎo)模式等關(guān)鍵性基礎(chǔ)理論，但對(duì)于深部井巷硐室面臨的復(fù)雜高溫高壓條件，這些理論還不足以指導(dǎo)工程實(shí)踐. 現(xiàn)有研究多集中于穩(wěn)定溫度場(chǎng)條件下對(duì)不同隔熱技術(shù)方法隔熱效能的評(píng)估，對(duì)于礦-熱共采模式來說，深部巷道硐室將面臨長期的溫變過程，應(yīng)開展深部巷道硐室溫度場(chǎng)時(shí)空變化條件下不同隔熱技術(shù)性能表現(xiàn)的研究，給出深部巷道硐室隔熱技術(shù)的優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn).

4 深地巷道硐室圍巖穩(wěn)定性控制

4.1 深地工程圍巖穩(wěn)定性控制理論

深地工程圍巖面臨著高溫高地應(yīng)力的問題，巖石在力學(xué)特性上存在著脆-延轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，掘進(jìn)卸荷可能會(huì)導(dǎo)致巖爆、大變形和蠕變等從而導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，因此需對(duì)深地工程圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行控制.針對(duì)圍巖穩(wěn)定性的控制已發(fā)展出了豐富的理論方法，如新奧法理論、聯(lián)合支護(hù)理論（圖6（a））、圍巖松動(dòng)圈理論（圖6（b））和應(yīng)力轉(zhuǎn)移理論（圖6（c））等，基于這些理論發(fā)展出了多樣的圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)與方法，可通過對(duì)圍巖的表面支護(hù)、改性、錨固、卸壓、斷面優(yōu)化等手段實(shí)現(xiàn)較理想的圍巖穩(wěn)定性控制.

圖6 圍巖穩(wěn)定性控制理論. (a) 聯(lián)合支護(hù)理論[23]; (b) 松動(dòng)圈理論[24]; (c) 應(yīng)力轉(zhuǎn)移理論[25]Fig.6 Surrounding rock stability control theory: (a) combined support theory [23]; (b) loose circle theory [24]; (c) stress transfer theory [25]

深部巷道硐室圍巖穩(wěn)定性控制應(yīng)主要圍繞“相互作用”與“能量轉(zhuǎn)換”這兩個(gè)核心命題展開，探究圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用以求能夠?qū)ふ业竭m用于不同地質(zhì)環(huán)境的支護(hù)手段，分析能量轉(zhuǎn)換模式則希望能夠找到圍巖中重要的能量輸出點(diǎn)，對(duì)支護(hù)的施工手段與工序進(jìn)行改進(jìn)，以期能夠?qū)χёo(hù)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行控制.

4.2 深部巷道應(yīng)力調(diào)控技術(shù)

深地工程圍巖應(yīng)力控制可通過錨桿支護(hù)手段實(shí)現(xiàn)，并且錨桿支護(hù)現(xiàn)已成為深部巷道硐室支護(hù)的主要技術(shù)手段，我國已發(fā)展出了種類多樣的錨桿支護(hù)體系[26]與錨桿結(jié)構(gòu)[27]. 但對(duì)于深部巷道硐室的建造，錨桿支護(hù)存在著預(yù)應(yīng)力過低、抗沖擊能力差導(dǎo)致錨桿拉斷、錨桿與鉆孔匹配性差導(dǎo)致整體滑移等問題，嚴(yán)重影響巷道硐室的安全性. 針對(duì)上述問題，應(yīng)開展適用于深部巷道硐室建造的新型錨桿的研發(fā)，抗沖擊、高黏結(jié)性錨桿更適用于深部巷道硐室，同時(shí)要求錨桿在長期高溫條件下不出現(xiàn)應(yīng)力松弛.

除了單獨(dú)的錨桿支護(hù)外，錨桿與鋼架的聯(lián)合使用可實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖變形的主動(dòng)與被動(dòng)結(jié)合承載，既能充分利用錨桿抗拉的性能又能發(fā)揮出鋼架結(jié)構(gòu)高承載力的優(yōu)勢(shì). 常用的鋼架形式有U型鋼架、工字型鋼支架、格柵鋼支架以及混凝土鋼支架等，U型鋼支架往往作為可縮性支架，具有較好的整體性和穩(wěn)定性，對(duì)于深部巷道硐室建設(shè)中面臨的復(fù)雜條件具有良好的適用性. 錨桿-U型鋼架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)能夠通過搭接部位的壓縮應(yīng)對(duì)深部圍巖的大變形，控制圍巖的流變效應(yīng)，顯著減小巷道變形，抑制圍巖塑性圈的產(chǎn)生. 在深部巷道工程中應(yīng)用這一技術(shù)時(shí)需考慮鋼架結(jié)構(gòu)在高溫高壓以及循環(huán)動(dòng)力荷載作用下可能存在的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的原因主要有連接設(shè)置不合理、鋼架-圍巖相互作用關(guān)系差以及結(jié)構(gòu)承載力不足等原因.

針對(duì)深部巷道硐室的支護(hù)應(yīng)對(duì)鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的承載力驗(yàn)算，并在高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，特別是由于U型鋼架結(jié)構(gòu)抗測(cè)壓能力較弱，在高側(cè)壓區(qū)域?qū)型鋼架的兩側(cè)壁及底腳部位應(yīng)特別關(guān)注，可通過高強(qiáng)材料替換、增密錨桿、施加額外支護(hù)力的方式提升抗測(cè)壓能力. 礦-熱共采模式下，須在圍巖內(nèi)部通過圍巖鉆孔設(shè)置多組熱交換通道，而這與新興的圍巖鉆孔卸壓技術(shù)有較好的契合度，通過合理布局熱交換通道在實(shí)現(xiàn)礦-熱共采的同時(shí)對(duì)圍巖應(yīng)力進(jìn)行調(diào)控具有較好的發(fā)展前景.

4.3 深部巷道硐室圍巖改性控制技術(shù)

深部巷道硐室圍巖改性技術(shù)主要是通過向圍巖裂隙中注入漿液實(shí)現(xiàn)，這種技術(shù)特別適用于破碎段的圍巖改性加固，以達(dá)到圍巖改性控制的目的，如圖7所示.

圖7 注漿改性對(duì)圍巖影響[28]. (a) 圍巖注漿; (b) 圍巖塑性區(qū)Fig.7 Effect of grouting modification on surrounding rock [28]: (a) surrounding rock grouting; (b) plastic zone of surrounding rock

目前對(duì)于淺部巷道硐室的圍巖注漿改性研究已取得了豐富且卓有成效的研究成果，對(duì)注漿時(shí)間、注漿工藝、注漿材料、不同地質(zhì)條件下的注漿方法選取給出了詳盡的選取原則，但對(duì)于高溫巖層中巷道硐室圍巖注漿改性的研究尚不充分. 高壓劈裂注漿具有較高的注漿壓力，可有效應(yīng)對(duì)深部地層高地應(yīng)力、高水壓的工程條件，是一種較適用于深部巷道硐室建造工程的圍巖注漿改性方法，但高壓劈裂注漿加固理論與技術(shù)發(fā)展相對(duì)較落后，未形成成熟有效的工程方法，特別是高壓劈裂注漿起裂與滲透規(guī)律、高壓劈裂注漿對(duì)圍巖的改性機(jī)理尚缺乏深入研究.

常用的注漿材料包括水泥基材料、化學(xué)類材料以及水泥-化學(xué)復(fù)合類材料，這些注漿材料在高溫環(huán)境下均存在不同的性能劣化現(xiàn)象，如常見的水泥漿液會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)性下降、擴(kuò)散阻力增加、滲透距離減小的問題，同時(shí)高溫也會(huì)降低注漿液與巖體節(jié)理面的黏結(jié)作用，無法有效發(fā)揮注漿改性的效果. 因此，對(duì)于深部高溫環(huán)境下的注漿改性來說，注漿液的性能就顯得尤為重要，除了需滿足基礎(chǔ)的流動(dòng)性、可注性、固化后強(qiáng)度、抗老化、抗?jié)B透要求，對(duì)于礦-熱共采模式下的圍巖改性材料還需滿足長期溫變條件下性能不退化的要求. 注漿材料若能作為良好的熱導(dǎo)體輔助實(shí)現(xiàn)熱量向換熱池聚集，則可進(jìn)一步提升礦-熱共采模式的資源利用率，可開展定向?qū)崽疾牧?、定向?qū)岣呃w維材料等新型材料在圍巖改性控制中的應(yīng)用研究，這些材料在傳統(tǒng)行業(yè)中已有廣泛的應(yīng)用，但這些材料往往需要人工控制導(dǎo)熱方向，對(duì)于圍巖注漿改性如何實(shí)現(xiàn)在鉆孔、圍巖裂隙中等狹小區(qū)域的自動(dòng)定向排布應(yīng)是首要解決的技術(shù)難題.

此外，注漿質(zhì)量檢測(cè)是保障圍巖改性效果的重要措施，對(duì)于深部高溫巖層中的巷道硐室建設(shè)首推無損檢測(cè)方法，特別是近些年來興起的探地雷達(dá)探測(cè)方法，利用不同介質(zhì)之間的介電常數(shù)差異實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)體的探測(cè)[29]，并可通過合適的數(shù)據(jù)反演技術(shù)重現(xiàn)目標(biāo)體的幾何構(gòu)造，具有連續(xù)檢測(cè)、操作便捷、成本低的優(yōu)勢(shì). 對(duì)于礦-熱共采模式下的圍巖改性質(zhì)量可通過在注漿前探測(cè)判斷的圍巖裂隙分布情況，指導(dǎo)劃定重點(diǎn)注漿區(qū)域，并輔助選定圍巖完整度高、含水率低的巖層作為換熱管道及換熱池的部署位置，保證相關(guān)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在注漿后則可再次進(jìn)行探測(cè)并與注漿前進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)由于礦-熱共采模式需在圍巖內(nèi)布置大量人造構(gòu)筑物，這勢(shì)必會(huì)對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性造成干擾，如何通過數(shù)據(jù)處理手段消除這些干擾因素的影響值得深入研究. 基于大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方法對(duì)探地雷達(dá)檢測(cè)圖像進(jìn)行智能判讀已有良好的應(yīng)用，對(duì)于礦-熱共采模式下的應(yīng)用則尚為空白，可通過室內(nèi)模型試驗(yàn)探索不同工況下的檢測(cè)效果，初步建立數(shù)據(jù)識(shí)別數(shù)據(jù)庫，為工程實(shí)際應(yīng)用做好準(zhǔn)備.

5 結(jié)論與展望

隨著我國對(duì)深部礦產(chǎn)資源開采的加速，深部巷道硐室的建造面臨諸多新的挑戰(zhàn)與技術(shù)難題，礦-熱共采作為一種新型的深部礦產(chǎn)開采模式，可有效提高我國對(duì)深部礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用效率，但這也對(duì)深部巷道硐室的建造提出了新要求. 針對(duì)礦-熱共采模式下建造深部巷道硐室所面臨的高溫、高地應(yīng)力特點(diǎn)，基于對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)理論、熱害防治技術(shù)、圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)的廣泛調(diào)研和分析評(píng)述，本文得出以下結(jié)論：

（1）高溫環(huán)境下深部巷道硐室建設(shè)的基礎(chǔ)理論研究尚有不足. 針對(duì)高溫條件下巖石物理力學(xué)特性的研究應(yīng)考慮實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的圍巖降溫的影響，應(yīng)能為巷道硐室如何選定降溫方式、降溫速率而不對(duì)圍巖造成新的損傷破壞提供指導(dǎo)；目前的技術(shù)手段無法全面有效地模擬真實(shí)的深部巖石環(huán)境，針對(duì)深部巖石可鉆性的研究往往只停留在理論性研究階段，新的試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)迫在眉睫；現(xiàn)行的巖石可鉆性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已不再適用深部巷道硐室的建造，應(yīng)形成新的評(píng)價(jià)體系.

（2）傳統(tǒng)的降溫技術(shù)在深部巷道硐室的建造中面臨著散熱效率低下、能耗高等問題，隨著我國對(duì)能源利用率、環(huán)境保護(hù)要求的提高，將“熱害”轉(zhuǎn)化為“熱利”將是未來深部巷道硐室降溫的發(fā)展趨勢(shì)，新興的礦-熱協(xié)同共采技術(shù)具有良好的發(fā)展前景，但該技術(shù)在我國的研究尚處于起步階段，應(yīng)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)開展廣泛的理論性研究，并進(jìn)行小規(guī)模的工程適用性驗(yàn)證.

（3）對(duì)于深部巷道圍巖的穩(wěn)定性控制應(yīng)開展進(jìn)一步的研究. 傳統(tǒng)的巷道硐室支護(hù)方式通過錨桿、鋼架、混凝土等結(jié)構(gòu)組成，但在深部巖層中，面對(duì)高溫、高地應(yīng)力的復(fù)雜條件，傳統(tǒng)的支護(hù)方式已不滿足工程需求，應(yīng)開展新型支護(hù)結(jié)構(gòu)、新型注漿改性技術(shù)和新型支護(hù)材料的研究.

隨著深部礦產(chǎn)資源開采的加速，發(fā)展新的適用于礦-熱協(xié)同開采模式的巷道硐室建造技術(shù)應(yīng)引起重視. 除了針對(duì)深部巖層高溫、高地應(yīng)力發(fā)展新的井巷建設(shè)降溫技術(shù)、圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)之外，還需做好深部礦產(chǎn)資源開采戰(zhàn)略的頂層設(shè)計(jì)，堅(jiān)持以國家重大需求為導(dǎo)向，集中優(yōu)勢(shì)科研層和應(yīng)用層的高度合作，強(qiáng)化基礎(chǔ)研發(fā)投入、工程創(chuàng)新決策、科研組織和成果應(yīng)用的主體作用，同時(shí)也要做好深部礦產(chǎn)資源產(chǎn)業(yè)信息化的建設(shè)，促進(jìn)基礎(chǔ)理論、技術(shù)、裝備和工藝的迭代更新，加快各研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)之間能量、物質(zhì)和信息的良性交換，推動(dòng)核心技術(shù)和重大技術(shù)的突破，培養(yǎng)一批深部巷道硐室建造工程領(lǐng)域的專業(yè)人才. 未來礦-熱共采模式下深部巷道硐室的建造應(yīng)朝著機(jī)械化、智能化、無人化的模式發(fā)展，廣泛應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)深部巷道硐室的建造過程進(jìn)行全方位感知，依據(jù)地質(zhì)精細(xì)探測(cè)選定圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)，進(jìn)而優(yōu)選巷道硐室掘進(jìn)裝備與技術(shù)，并能對(duì)巷道硐室進(jìn)行全壽命風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控.